Cheminiai elementai: nuo senovės filosofijos iki moderniosios chemijos

Cheminis elementas - tai vienodą branduolio krūvį turinčių atomų visuma; chemiškai nedaloma medžiaga. Vienas cheminis elementas gali sudaryti kelias vienines medžiagas, kurios skiriasi molekulių sudėtimi arba kristalinės gardelės struktūra (alotropija). Daugelis cheminių elementų susideda iš kelių nevienodos masės atomų - izotopų. Cheminis elementas žymimas viena ar dviem lotyniško pavadinimo raidėmis (cheminiai simboliai) ir atominiu skaičiumi, kuris lygus branduolio krūviui.

Cheminių elementų klasifikacija periodinėje elementų sistemoje, kurioje jie išdėstyti atominių skaičių didėjimo tvarka, pagrįsta periodiniu dėsniu. Pagal panašias chemines savybes cheminiai elementai skirstomi į 2 dideles grupes - metalus ir nemetalus. Į atskiras grupes išskiriami radioaktyvieji cheminiai elementai (jų visi izotopai nestabilūs, atominiai skaičiai 43, 61 ir nuo 84 iki 109), transuraniniai (atominiai skaičiai 93-109), retieji (mažai paplitę Žemėje arba sunkiai gaunami), išsklaidytieji (neturintieji savo mineralų).

Visatoje labiau paplitę vandenilis (70 % masės) ir helis (28 %); deguonis, azotas, geležis, anglis, neonas kartu sudaro 1,62 %, magnis ir silicis 0,14 %. Žemėje vyrauja deguonis, silicis, aliuminis, geležis, kalcis, natris, kalis, magnis, titanas (jie sudaro 99 % Žemės plutos masės). Žemės plutoje cheminiai elementai randami junginių pavidalo (tokie yra dauguma mineralų), kai kurie vieninių medžiagų pavidalo (siera, anglis, taurieji metalai).

Cheminių elementų kilmė ir istorija

Cheminių elementų kilmės aiškinimas susijęs su Visatos raida. Pagal vieną hipotezių, visų cheminių elementų atomų branduoliai susidarė iš neutronų ir protonų per Didįjį Sprogimą. Žvaigždėse nuolat vyksta branduolinės reakcijos, per kurias iš vienų cheminių elementų susidaro kiti.

Idėją apie elementus, iš kurių sudaryta visa materija, egzistavimą iškėlė senovės indų, graikų filosofai. Elementu tada vadino greičiau esminę savybę, o ne konkrečią medžiagą. Pvz., Aristotelio 4 elementai (stichijos) - ugnis, vanduo, oras, žemė - reiškė pirminę materiją su tam tikrų savybių deriniu. Senovėje buvo žinomi 7 metalai - varis, auksas, sidabras, geležis, švinas, alavas, gyvsidabris ir 2 nemetalai - anglis ir siera. 13-17 a. alchemikai išskyrė dar bismutą, stibį, arseną, fosforą.

Šiuolaikinę cheminio elemento sąvoką 1661 veikale Chemikas skeptikas (The Sceptical Chymist) suformulavo R. Boyle’is. 19 a. pradžioje J. Daltonas apibrėžė cheminį elementą kaip vieną atomų rūšį, atominės masės vienetu paėmė lengviausio elemento - vandenilio - masę. 19 a. pabaigoje-20 a. pradžioje paaiškėjo, kad atomai susideda iš elementariųjų dalelių. Svarbiausia cheminių elementų charakteristika imta laikyti ne atominę masę, o branduolio krūvį, nusakantį elektronų skaičių ir išsidėstymą atome, kartu ir svarbiausias chemines savybes.

Dauguma cheminių elementų buvo atrasta 18 ir 19 amžiuje. D. Mendelejevui sudarius periodinę elementų sistemą buvo galima numatyti neatrastų cheminių elementų buvimą. 20 a. 3 dešimtmetyje išaiškinus atomo sandarą buvo galutinai nustatytas cheminių elementų išsidėstymas periodinėje elementų sistemoje ir tikslus jų skaičius. Iki 1925 buvo atrasti visi 88 elementai, kurių Žemėje yra bent apčiuopiami kiekiai. Technecis (atominis skaičius 43), prometis (61) ir astatas (85) buvo gauti iš kitų cheminių elementų branduolinėmis reakcijomis. 1940 buvo pagaminti pirmieji transuraniniai elementai - neptūnis ir plutonis. 2022 buvo žinoma 118 cheminių elementų, su patvirtintais jų pavadinimais.

Cheminių elementų svarba ir ištekliai

Dauguma mūsų apie periodinę cheminių elementų lentelę sužinojo mokykloje. Cheminiai elementai keistais pavadinimais tampa vis svarbesni mūsų gyvenime. Nemažai jų naudojama aukštųjų technologijų gaminiuose, jie tampa mūsų kasdienio gyvenimo dalimi - nors daugelis jų tokie reti, kad dėl jų verda tikra kova. Pristigę šių elementų ateityje galime susidurti su rimtais rūpesčiais.

Pavyzdžiui, vargu ar prisimename iš mokyklos laikų indį ir tantalą bei jų savybes, o tai išties labai svarbios medžiagos - dideli indžio kiekiai naudojami plokščiųjų ekranų gamyboje, tačiau jo ištekliai tokie menki, kad per trejus metus indžio kaina pašoko 16 kartų. Tantalas labai gausiai naudojamas mobiliųjų telefonų gamyboje, todėl dėl šio elemento vyksta karas beveik tiesiogine prasme.

Mūsų planeta maždaug prieš 4,6 milijardo metų susidarė iš tam tikrų cheminių elementų - t. y. cheminiais būdais neskaidomų medžiagų. Visi Žemėje esantys elementai atsirado po Didžiojo Sprogimo arba kaip supernovos, t. y. didžiulės žvaigždės sprogimo, produktai. Sprogus didžiulei žvaigždei, elementai buvo išmesti į kosmosą ir susitelkė į didžiulį rūką. Tokiam rūku tankėjant susiformavo Žemė. Tuo metu mūsų planeta buvo labai karšta, skysto pavidalo, todėl sunkesni elementai, tokie kaip geležis, nugrimzdo ir suformavo Žemės branduolį. Geologai mano, kad branduolyje taip pat yra daug aukso.

Gamtoje aptinkami tik keli grynojo pavidalo cheminiai elementai. Šiuo metu žinoma 118 elementų, iš jų tik pirmieji 82 yra stabilūs. Elementai, kurių atomo numeris 83 ir didesnis, yra radioaktyvūs ir skyla į kitus elementus - kai kurie jų per kelias sekundės dalis.

Retieji žemės elementai ir jų svarba

Kai kurių cheminių elementų naudojame labai nedaug ir tik vienam tikslui. Tarkim, elementas, kurio numeris 58, ceris. Ceris pasirodė esąs puikus akmuo žiebtuvėliams - kaip tik šis mažytis akmenukas įžiebia kibirkštį. Vargu ar cerio pritrūks - tiek daug žiebtuvėlių negaminama. Kai kurie kiti elementai naudojami kur kas plačiau, o jų paklausa sparčiai didėja. Kadangi, remiantis prognozėmis, 2050 metais pasaulyje gyvens 9 milijardai žmonių, kai kurių elementų gali išties pritrūkti.

Vienas iš tokių elementų yra helis, užimantis antrą vietą periodinėje elementų lentelėje, - jis toks lengvas, kad paprasčiausiai išsisklaido kosmose. Jaučiamas ir vadinamųjų retųjų žemės elementų stygius. Šią grupę sudaro 15 elementų, dėl ypatingų savybių jie vis plačiau naudojami šiuolaikiniame gyvenime. Vienas tokių elementų neodimis turi magnetinių savybių, pranokstančių visus ankstesnius magnetus. Bendra retųjų žemės elementų gavyba 2008 metais siekė 139 tūkstančių tonų, didžioji dalis buvo išgaunama Kinijoje, turinčioje didžiausius pasaulyje išteklius. Kinijoje šie elementai yra saugomi, ribojamas jų eksportas. Todėl pasaulyje intensyviai ieškoma kitų vietų, kuriose būtų galima išgauti retųjų elementų. Paprastai jie randami junginių su kitomis medžiagomis pavidalu, be to, labai mažais kiekiais.

Augalai ir cheminių elementų poreikis

Cheminius elementus intensyviai naudojame ne tik mes, žmonės, be jų neišsiverčia ir augalai. Kad galėtų augti, augalui reikia net septyniolikos elementų - visi jie būtini visaverčiam augimui. Tris elementus - vandenilį, deguonį ir anglį - augalas pasiima iš oro arba vandens. Azotą, fosforą ir sierą - tris elementus, be kurių augalai negali augti, - šaknys gauna iš dirvožemio. Be kitų elementų augalai galėtų išgyventi, tačiau skurstų, juos apniktų ligos. Augalų šaknys susiranda ir pasiima iš dirvožemio reikalingų cheminių elementų. Jų svarbą botanikai nustatė tirdami, kodėl kartais grūdai ypač gerai dera po elektros linijomis.

Ateities iššūkiai ir sprendimai

Nors apskritai cheminių elementų paklausa didėja, dėl naujų technologijų plėtros vieno cheminio elemento poreikis gali smarkiai išaugti, kito - sumažėti. Pavyzdžiui, anksčiau konservų dėžutės turėjo ploną alavo sluoksnį, o dabar alavą pakeitė plastikas, taigi alavo poreikis gerokai sumenko. Laimė, titanas, kaip ir kai kurie kiti metalai, gali būti naudojamas ne vieną kartą ir neprarasti savo savybių. Antrinis perdirbimas - tai vienas iš ateities sprendimų. Jeigu 9 milijardų žmonių gerovė pasieks išsivysčiusių šalių lygį, nebegalėsime panaudotų retųjų metalų tiesiog išmesti. Turime pradėti mokytis iš gamtos, t. y. sukurti gamybos, vartojimo ir perdirbimo ciklą. Dažnai vienu metu galime nušauti du zuikius, nes perdirbant metalus sutaupoma daug energijos.

Nėra abejonių, kad ateityje išties pritrūksime kai kurių medžiagų, nes ne visas galima pakeisti arba panaudoti dar kartą. Todėl turime tinkamai pasirinkti prioritetinius gavybos būdus ir mėginti ieškoti alternatyvų šiandien naudojamiems cheminiams elementams.

Įdomūs faktai apie cheminius elementus

NEODIMIS - magnetų karalius

Dėl unikalių savybių neodimis tapo itin paklausus. Neodimio ištekliai Žemėje labai riboti. Metinė jo gavyba siekia maždaug 7300 tonų. Šis cheminis elementas yra stipriausias iš žinomų nuolatinių magnetų, jo magnetinis laukas toks galingas, kad gali pakeisti elektromagnetus ir kitus nuolatinius magnetus, naudojamus elektroniniuose prietaisuose, pavyzdžiui, standžiuosiuose diskuose. Be to, šie magnetai pradėti naudoti vėjo jėgainėse ir hibridiniuose automobiliuose, nes jie mažesni. Neodimis priklauso prie ypatingos cheminių elementų grupės, vadinamos retaisiais žemės elementais. Gamtoje šio cheminio elemento randama junginiuose su mineralais ir išgaunama juos skaidant. Grynas neodimis yra ryškios aukso spalvos, su deguonimi reaguojantis metalas. Jo kubinis metras sveria 7 tonas. Be magnetų, neodimis naudojamas emaliui ir stiklui spalvinti, taip pat gaminant suvirintojų bei stiklo pūtėjų specialius apsauginių akinių stiklus.

CHELIS - dingsta erdvėje

Helio turi tik kelios pasaulio šalys, o jo paklausa nuolat didėja. Helis yra antras pagal paplitimą Visatos elementas. Tačiau Žemėje tai antras elementas iš tų, kurių labiausiai trūksta. Traukos jėga helio neišlaiko, todėl jis tiesiog išnyksta kosminėje erdvėje. Helis gaunamas iš jo turinčių gamtinių dujų. Per metus jo išgaunama 170 milijonų kubinių metrų. Didžiausios helio gamintojos - JAV, tačiau telkinių esama ir Kinijoje. Pasaulyje planuojama pastatyti devynias naujas helio gamyklas, nes jo paklausa, kaip ir kaina, labai greitai kyla. Helio panaudojimo galimybės labai plačios, pavyzdžiui, juo užpildomos superlaidžiųjų magnetų aušinimo sistemos, oro balionai, jis naudojama neoninių ženklų gamybai. Dažniausiai helio neįmanoma pakeisti kitomis medžiagomis, todėl jo trūkumas būtų labai juntamas.

FOSFORAS - būtinas gyvybei Žemėje

Viena didžiausių ateities problemų - fosforo ištekliai. Šis cheminis elementas reikalingas visoms gyvybės formoms. Be fosforo negalėtų gyventi nei žmonės, nei augalai. Šis cheminis elementas įeina į genomo sudėtį ir todėl vadinamas vienu iš pagrindinių gyvybės elementų. Tačiau jo atsargos yra ribotos, žinomų šaltinių užteks tik 30-80 metų. Vienas geriausių būdų apsirūpinti fosforu būtų uždaras fosforo panaudojimo ir perdirbimo ciklas. Šiandien šio cheminio elemento mes netausojame. Maždaug pusė iš 15 milijonų tonų fosforo, išgaunamo per metus, nusėda vandenynuose. Be to, didelė jo dalis tiesiogine prasme nuskandinama kanalizacijoje - drauge su šlapimu, nors tai galėtų būti puikus fosforo šaltinis. Trąšoms naudojama 90 procentų viso aptinkamo fosforo.

LITIS - ateities degalai

Šiandien litis yra būtinas baterijų komponentas, jis taip pat galėtų padaryti perversmą kuriant naujas transporto priemones. Ličio naudojimas sparčiai didėja. Tačiau jo ištekliai riboti. Daugiausia ličio aptinkama Pietų Amerikoje. Litis vadinamas XXI amžiaus degalais. Šis metalas pasižymi puikia savybe kaupti elektros energiją, todėl jis naudojamas ličio jonų baterijose, maitinančiose mobiliuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius, taip pat elektra varomus automobilius, laikomus ateities transporto priemone. Mokslininkai mano, kad baterijos gali būti gerokai efektyvesnės. Vienai mobiliojo telefono baterijai sunaudojami tik du gramai ličio, o elektra varomo automobilio baterijai reikia 20 kg ličio. Pastaraisiais metais ličio baterijų prekyba išaugo 20 procentų. Per metus išgaunama tik apie 25 tūkstančiai tonų. Beveik trečdalis pasaulio ličio išgaunama išdžiūvusiame druskos ežere Čilėje. Šiek tiek ličio pagaminama Bolivijoje ir keliose kitose šalyse. Litis yra sidabriškai baltos spalvos, minkštas metalas, sveriantis tik pusę tiek, kiek sveria vanduo.

PLATINA valo orą

Pusė visos išgaunamos platinos naudojama aplinkosaugos priemonėse - mašinų katalizatoriuose. Platina yra rečiausias pasaulio metalas. Per metus jo išgaunama labai nedaug, maždaug tik 250 tonų. Daugiau nei pusė jo naudojama automobilių katalizatoriuose, nes platina pagreitina chemines reakcijas, taigi ir automobilio išmetamų angliavandenilio junginių skaidymą. Platina taip pat naudojama papuošalams, laikrodžiams, elektroninėms detalėms, laboratorijose. Platina yra sunkus brangusis metalas, jį labai lengva apdoroti. Metalas gamtoje randamas grynas, nors daugiausia jo kasama kasyklose, su nikelio ir vario junginiais. Keturi penktadaliai visos platinos išgaunama Pietų Afrikoje, nedidelių išteklių turi Rusija ir Kanada. Nėra sukurta jokios dirbtinės platinos alternatyvos, todėl šis brangus metalas yra tausojamas, o jo kaina dvigubai didesnė už aukso. Britų mokslininkai tiria, ar platinos galima būtų gauti iš gatvės dulkių, kurias surenka gatvių valymo mašinos. Mat iš automobilių katalizatorių išsiskyrusi platina kaupiasi dulkėse.

tags: #chem #elementas #is #gr #nuo #cezario

• Visapusiška moters sveikatos priežiūra
• Ugdymas darželyje: 3-4 metų grupė
• Pacientų atsiliepimai apie Antakalnio gimdymo namus
• Kaip valdyti gestacinį diabetą po gimdymo
• Elementai senovės filosofijoje